авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


«Газохимия на современном этапе развития»,

Сборник статей под ред. А.И. Владимирова и А.Л. Лапидуса,

РГУ НГ им. И.М.Губкина, Москва,

2010, С. 35–69.

ГИПОТЕЗА НЕОРГАНИЧЕСКОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ

ПРИРОДНОГО ГАЗА В КОНТЕКСТЕ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ЖИВОЙ

МАТЕРИИ

Островский В.Е.,

Научно-исследовательский физико-химический институт им. Л.Я. Карпова, Москва “Так как природа есть начало движения и изменения, а предмет нашего исследования – природа, то нельзя оставлять невыясненным, что такое движение: ведь незнание движения необходимо влечет за собой незнание природы.

Определив то, что относится к движению, надо попытаться подойти таким же образом и к последующему. Так вот, движение по всей видимости есть нечто непрерывное, а бесконечное проявляется прежде всего в непрерывном;

поэтому, определяя непрерывное, приходится часто пользоваться понятием бесконечного, так как непрерывное бесконечно делимо.” ([1], c. 103) “Одни, полагая в основу сущего единый телесный субстрат … все остальное порождают из него уплотнением и разрежением, производя таким образом многое… Другие же полагают, что из единого выделяются содержащиеся в нем противоположности…” ([1], с. 68).

Обычно происхождение на Земле природного газа и нефти рассматривают в едином комплексе и в отрыве от процессов, которые предшествовали образованию планеты Земля. В отличие от традиционных подходов, мы пытаемся выявить связь между процессами, протекавшими от периода взрыва звезды, являвшейся предтечей современного Солнца, в направлении возникновения простейших элементов живой материи (ПЭЖМ) – азотистых оснований, рибоз, нуклеозидов и нуклеотидов, ДНК- и РНК подобных молекул и протоклеток. Развиваемая нами гидратная гипотеза зарождения живой материи (Life Origination Hydrate Hypothesis;

LOH гипотеза) основана на представлении о том, что жизнь возникла в результате термодинамически обусловленных, закономерных и неизбежных химических превращений, которые регулируются универсальными физическими и химическими законами. Мы исходим из общего положения, что в природе процессы брутто-масштаба происходят поступательно в направлении уменьшения свободной энергии в каждой Вселенской подсистеме, которую можно приближенно рассматривать в качестве изолированной системы.

Именно благодаря направленности природных явлений люди в принципе способны мысленно пройти по пути природы в обратном направлении времени и таким образом выявить основные вехи движения природы. По нашему мнению, подобно тому, как для раскрытия сложных преступлений детективу важно найти конец нити, зацепившись за который он может распутать хитросплетение обстоятельств, созданных логикой преступника, естествоиспытателю важно найти в окружающей его действительности некоторый «крючок», зацепившись за который и имея законы термодинамики в качестве путеводной нити, он может разгадать логику, которой руководствовалась природа в своем движении. Для нас таким «крючком»

оказалось выявленное соответствие между размерами структурных элементов нуклеиновых кислот и структурных элементов газовых гидратов, в частности гидрата метана и гидратов других углеводородов;

важным стимулом LOH гипотезы явилось также понимание того, что водные структуры, подобные структурам газовых гидратов, должны существовать не только в твердом состоянии, но они должны поддерживаться по крайней мере в виде ближнего порядка в невозмущенных текучих водных средах при достаточно низких температурах. (Эту идею мы использовали также для попытки создания физико-химических основ описания процессов, лежащих в основе развития и деления живых клеток [2]).

При реконструкции пути, по которому шла природа, мы руководствуемся следующими основными принципами. (1) Принципом простоты. Согласно фундаментальному правилу И. Ньютона, при формулировании гипотез, объясняющих природные явления, не следует предполагать каких-либо причин в дополнение к тем, которые необходимы и достаточны;

Природа проста и не роскошествует в излишествах [3]. Гипотеза, описывающая механизм какого-либо явления, имеет тем больше шансов на успех, чем меньше стадий она предполагает для осуществления этого явления и чем меньше компонентов участвуют, согласно гипотезе, в осуществлении каждой стадии. (2) Принципом повторяемости предполагаемых событий и наличия индивидуальных особенностей при их воспроизведении. В природе существуют множества сходных, но несколько различающихся явлений и не существуют единичные явления, не имеющие близких аналогов. Поэтому гипотеза, описывающая какое-либо явление, должна обеспечивать возможность многократного повторения данного явления в сходных, но несколько отличающихся условиях и со сходными, но несколько различающимися результатами. (3) Принципом единства места совершения события. Преимущество имеет такое представление о совершившемся в прошлом событии, при котором событие происходит в определенном месте, т.к. расчленение на подсобытия, происходящие в разных местах, с последующим их взаимодействием многократно снижает степень повторяемости результата.

LOH-гипотеза, включая ее термодинамические основы, публиковалась на разных стадиях ее развития в работах [4–11] и была доложена на многих международных конференциях [12]. Согласно LOH-гипотезе, на пути от зарождения СС к образованию живой материи на Земле природа создала метан в её недрах. У нас нет оснований полагать, что на каком-либо этапе этого прямого пути была создана нефть. Такой подход дает нам основание для того, чтобы рассматривать образование метана в недрах Земли независимо от образования нефти. Это не означает, что нефть не могла образоваться на каком-то ответвлении рассматриваемого нами маршрута природы, который привел к возникновению живой материи.

Метановые углеводороды на Земле и других планетах Солнечной Системы В настоящее время (к концу 2007 г.) доказано наличие в земной коре около 180.3·1012 м3 (около 130·109 т) газа;

для сравнения укажем, что подтвержденные количества угля и сырой нефти составляют 826·109 и 165.3·109 т соответственно [13, 14]. Природный газ обнаружен на всех континентах, кроме Антарктиды, и во многих местах под дном морей и океанов. На Среднем Востоке, в Евразии, Африке, Азии, Северной Америке, Центральной и Южной Америке и в Европе на 01.01.2009 г. оценочно подтверждено наличие 72.18, 57.2, 13.88, 11.75, 8.01, 7.42 и 4.73 трлн. м (2549, 2020, 490, 415, 283, 262 и 167 трлн. куб. фт) соответственно, причем наибольшие запасы имеют США (22.9%) и Россия (22.5%) [15]. Приведенные цифры не учитывают туркменский газ, запасы которого по некоторым оценкам соизмеримы с запасами США и России.

В 2007 году было извлечено из земных недр 2.940·1012 м3 (около 2.0· т) газа [13]. Производство газа в мире в 2008 г. находилось на уровне 3.100·1012 м3 [16], в том числе, в России, США, Европе, Канаде и Иране – 0.60, 0.58, 0.19, 075 и 0.12·1012 м3 соответственно.

Чтобы можно было сопоставить объем известных локализаций газа с размерами Земного шара, отметим, что, если бы весь разведанный газ был сконденсирован и равномерно разлит по всей поверхности земного шара, включая водные бассейны, то толщина слоя сжиженного газа составила бы около 6.2 мм.

Природный газ в качестве топлива используют в основном для обогрева помещений и для приготовления пищи, а в последнее время – для автомобильных двигателей. Значительные количества газа используют в качестве сырья для химической промышленности.

Углеводородный минеральный газ, который обычно называют природным газом, находится под поверхностью земли или под дном морей и океанов в виде кристаллических газовых гидратов, представляющих собой газонаполненный водяной лед, имеющий сотовую структуру, в виде газовых залежей, локализованных зачастую внутри пористых осадочных пород, или в виде газовых “шапок” в нефтегазовых залежах, а также в растворённом состоянии в нефти или воде. Типичный состав природного газа находится обычно в следующих пределах: метан – 70–95%, этан, пропан и бутан – 0– 20%, азот – 0–10%, диоксид углерода – 0–8%, кислород – 0–0.5%, сероводород – 0–5% и небольшие примеси Н2, N2 и инертных газов.

В Европе на Апшеронском полуострове в Сураханах и Балаханах огнепоклонники гвебры использовали газ, наряду с нефтью, для поддержания священных огней еще в VII веке. Газ, выделявшийся в этом районе, имел в XIX веке необычный состав: 79.2% этилена, 13.8% метана и 5.1% СО [17]. Для муниципальных нужд природный газ начали использовать в 1821 г. в США, в деревне Фредония (штат Нью-Иорк). До середины XIX-ого века его использовали главным образом для уличных фонарей и потому называли светильным газом. В России такое название природного газа сохранилось до начала XX века. К 1850 г. газ использовали для освещения улиц уже во многих районах США. До 1883 г. все газовые скважины были получены при бурении на нефть. В начале XX века природный газ начали использовать в Америке и в Европе для отопления помещений, в качестве заместителя угля в паровых котлах и в качестве источника тепла при обжиге извести, производстве стекла, в металлургии и др.

Метан и этан весьма широко распространены в Солнечной Системе (СС);

пропан, бутан и более сложные предельные и непредельные углеводороды встречаются, хотя и в меньших количествах, на многих объектах СС [18]. Экспедиция Кассини (Cassini) обнаружила на спутниках Сатурна, Гиперионе и Титане, широкий спектр углеводородов. На Титане, где температура поверхности составляет около 100 К, присутствуют пространные озера и реки из метана и этана, идут углеводородные дожди и бушуют бури.

Атмосфера Урана содержит значительные количества метана, а также – другие углеводороды. Газообразные, твердые и жидкие углеводороды найдены на многих других небесных телах – планетах, спутниках и кометах, в том числе там, где они не могли образоваться из живой материи, потому что живая материя никогда не могла там существовать. Поэтому нет сомнений в том, что углеводороды образовывались уже на ранней стадии формирования Солнечной Системы из реликтового углерода и водорода.

Однако это знание отнюдь не решает проблему возникновения углеводородов на Земле, тем более что нет сведений о наличии их на Венере и Меркурии, а в атмосфере Марса содержание СН4 очень мало и не известно, присутствуют ли там другие углеводороды. Между тем, вопрос о том, откуда берутся в толще Земли горючие газы и жидкости, интересовал людей еще задолго до того, как стало ясно, что их можно получить из простых веществ, в частности, из угля и воды.

Остановимся на интересной особенности, присущей земным и внеземным углеводородам. Дело в том, что в литературе обсуждаются небольшие различия в изотопных составах некоторых массивных углеродных образований, с одной стороны, и нефтей и живой материи, с другой стороны, в попытке решить вопрос о путях происхождения различных углерод содержащих субстанций. До последнего времени считали, что для СС обычно С/13С 89/1. Некоторые авторы даже утверждали, соблюдается отношение что отличие от этого отношения на 1%, наблюдающееся для представителей живой материи и для нефти, свидетельствует о происхождении нефти из остатков живых организмов (см., например, [19]). Однако недавно было С/13С в углеводородах установлено, что среднее изотопное отношение различно на разных планетах [20], а на одной и той же планете отношение С/13С в различных углеводородах может существенно различаться.

Например, по данным экспедиции Кассини и наземных измерений, на Титане отношение 12C/13C в метане, ацетилене и этане составляет 76.6 ± 2.7, 84.8 ± 3. и 89.8 ± 7.3 соответственно [21]. На Земле и других планетах известно немало подобных различий изотопного состава минералов одного и того же химического состава. Например, земной океан и многие земные твердые минеральные образования имеют разный изотопный состав кислорода.

Изотопный кислородный состав разных минералов земного, лунного и марсианского происхождения различен, но имеет определенные общие черты, а изотопный кислородный состав компонентов (так называемых каисов ((CAIs, calcium-aluminium inclusions) и хондрулов) некоторых метеоритов тоже различен, но имеет другие общие черты [22]. В литературе рассматриваются две возможные причины изотопных особенностей. Одна возможная причина: так называемые кинетические изотопные эффекты, которые проявляются в различной скорости реагирования разных изотопов в одной и той же химической реакции [20]. Другая возможная причина рассмотрена нами в работе [23];

мы учли, что при взрыве звезды каждый стабильный элемент образуется несколькими путями в результате распада первичных радиоактивных элементов, эмитируемых звездой, и что взрыв происходит во времени и, таким образом, образуется система газо-пылевых облаков с разным изотопным составом содержащихся в ней элементов. (Ниже мы вернемся к этому рассмотрению.) В этой связи отметим, что в работе [24] установлено, что в 14-ти проанализированных метеоритах, в которых, как пишет автор, “… карбонатные материалы … конечно не являются производными от живых источников”, интервал вариаций С того же порядка, что и в земных условиях, хотя, как принято считать, эти метеориты рождены в СС.

На основании сказанного можно заключить, что в настоящее время вряд ли есть основания, чтобы использовать сведения об изотопных особенностях углерода для выяснения на их основе путей происхождения углеводородов, так как природа изотопных особенностей углерода требует изучения.

Что было началом Солнечной Системы: взрыв звезды или взаимодействие взрыва звезды с небулой, рожденной предшествовавшими звездными генерациями?

Развитие современных представлений об образовании СС берет начало от идей И. Канта [25] и П. Лапласа [26], высказанных ими во второй половине XVIII века. Согласно классификации О.Ю. Шмидта [27], предложенной в середине ХХ века, гипотезы о возникновении СС можно классифицировать на три группы: (1) Солнце и планеты возникают из одной общей массы (туманности). К этой группе относятся гипотезы Канта, Лапласа и другие. (2) Планеты каким-то образом выделились из существовавшего ранее Солнца.

Сюда относятся гипотезы Лейбница, Джинса, ротационная гипотеза Фесенкова и др. (3) Планеты образовались из межзвездной материи после образования Солнца. К этой группе Шмидт относит собственную метеоритную гипотезу и некоторые другие. Шмидт отмечал, что, помимо гипотез, строго относящихся к одной из этих групп, существует множество гипотез, которые следует располагать между выделенными группами. В настоящее время многие из тех гипотез, о которых писал Шмидт, не имеют научного значения. Однако приведенная классификация остается актуальной.

В связи с развитием теоретической физики в работах Хойла, Вейцзеккера, Бете, Шацмана и многих других и с развитием техники наблюдений за небесными объектами, находящимися в СС и далеко за ее пределами, к концу прошлого века получили широкое распространение представления о том, что СС возникла в результате взрыва звезды или в результате взаимодействия реликтового газо-пылевого облака, произошедшего от более ранних звездных генераций, с взорвавшейся звездой.

Взрыв звезды рассматривается как результат истощения водородного «топлива», затухания термоядерного синтеза ядер гелия, охлаждения звезды и её нейтронизации и катастрофического сжатия. Однако современная наука располагает лишь предположениями относительно механизма взрыва, состояния материи вдоль радиуса звезд, природы и скоростей ядерных реакций внутри них;

мы не знаем определенно, что происходит в течение периода индукции, который предшествует собственно взрыву, и т. д.

Подтверждения предполагаемых моделей зачастую сводятся к решению многопараметрических уравнений со свободно подбираемыми параметрами.

Представления о взаимодействии взорвавшейся звезды с газо-пылевым облаком более ранних звездных генераций было стимулировано получением данных о том, что изотопный состав некоторых элементов в различных объектах СС неодинаков [28]. Наиболее подробно это явление изучено в отношении изотопов кислорода. Неоднородность изотопного состава кислорода в различных объектах СС была обнаружена около 40 лет назад.

Наиболее ясно различия видны на рис. 1, который построен в соответствии с работой [29] (ноль отвечает среднему составу океанской воды на Земле (ССОВ)).

Рис. 1. Трансформация рисунка из статьи Р. Клейтона [29]. Начало координат 17 соответствует составу Oи O в Стандартной Средней Океанской Воде (ССОВ);

17 значения O and O представляют собой отклонения измеренных концентраций этих изотопов в различных земных и лунных горных породах (нижняя прямая) и в хондрулах и каисах (верхняя прямая) от содержания 17O and 18O в ССОВ;

= 45о, = 22.5о.

В земных и лунных породах, а также в марсианских породах и в O/17O/18O плавленых магматических астероидных метеоритах, отношения различны, но в породах, в которых отношения 18O/16O одинаковы, отношения O/16O тоже одинаковы. Если в каких-то двух породах, полученных с этих O/16O отличаются, например, на 1%, то небесных объектов, отношения O/16O отличаются в них на 0.5% (нижняя прямая на рис. 1).

отношения O/16O и O/16O (по отношению к уровням в Относительные приращения земном океане), измеренные в образцах пород, полученных с этих объектов, дают нижнюю прямую на рис. 1 с наклоном, равным 0.5.

Другой результат получен при исследовании таких космических объектов как каисы (calcium-aluminium inclusions, CAIS) и хондрулы.

Хондрулы – это частицы силикатов мм-размеров, которые были расплавлены при их образовании в космосе при температуре не ниже, чем 1700 K и затем застыли. Каисы – это частицы, обогащенные Ca и Al, еще более тугоплавкие, чем хондрулы, и, тем не менее, когда-то оплавленные в космосе. Хондрулы и каисы находят в каменных метеоритах на Земле и внутри космических пылинок в космосе;

иногда хондрулы находят внутри каисов [30, 31], хотя чаще каисы находят внутри хондрулов [31]. Относительные приращения O/16O и O/16O (по отношению к уровням в земном океане), измеренные в этих объектах, дают на графике рис. 1 верхнюю прямую с наклоном, равным единице, а не с наклоном 0.5, характерным для минеральных пород Земли, Луны и Марса.

Эти два загадочных результата количественно воспроизводятся с удивительным постоянством для большого количества образцов. До последнего времени никто не объяснил количественно наклоны прямых на рисунке, а следовательно – не объяснил феномен Клейтона в целом.

Существует мнение, что феномен Клейтона свидетельствует о том, что каисы и хондрулы являются объектами газо-пылевых облаков, образованных в результате взрыва предшествовавших звездных генераций, и что их наличие в пространстве свидетельствует об участии этих реликтовых газо-пылевых облаков в образовании СС.

Несмотря на обилие гипотез и исследователей, участвовавших в их обсуждении, все предложенные ранее гипотетические объяснения феномена Клейтона являются качественными и основаны на многочисленных дополнительных предположениях. Ни одно из них не объясняет количественно стехиометрические соотношения между приращениями 17 содержания изотопов Oи O в каисах и хондрулах и в породах, существующих на Земле, Луне и Марсе. Поэтому предположение о существенном вкладе гипотетической реликтовой небулы в образование СС не имеет реальных оснований.

Обычно считают, что атомы тяжелых элементов (тяжелее гелия) образуются внутри звезд, однако эта точка зрения не доказана никакими наблюдениями. Альтернативной возможностью, предложенной нами, является образование тяжелых элементов при взрыве (точнее – в период индукции, предшествующий взрыву) в результате диссипации нейтронно протонной массы коллапсирующей звезды в условиях увеличения угловой скорости вращении при постепенном исчерпании водородного топлива. Мы предположили, что увеличение скорости вращения приводит к истечению потоков нейтронно-протонных нанокапель, нестабильных по своей внутренней организации, которые быстро трансформируются в радиоактивные (а затем – и в стабильные) атомы в результате радиационных распадов. Чем выше степень нейтронизации звезды, тем она в большей степени сжимается и тем выше угловая скорость её вращения. По мере увеличения скорости вращения возрастает количество нуклонов в нейтронно протонных нанокаплях, «разбрызгиваемых» звездой, т.е. нанокапли укрупняются. Такое предположение о механизме образования тяжелых элементов позволяет количественно объяснить феномен Клейтона.

Целочисленность значений отношений 17O/18O (см. рис. 1) наводит на мысль о том, что наклоны этих прямых определяются некоей химической стехиометрией. Чтобы выявить эту стехиометрию мы проанализировали в работе [23] литературные данные о цепях радиоактивных распадов, которые приводят к образованию стабильных изотопов кислорода из радиоактивных прекурсоров, о побочных распадах всех возможных радиоактивных прекурсоров стабильных изотопов кислорода и о степени распада прекурсоров в различных направлениях для тех из них, которые могут подвергаться радиоактивному распаду по различным механизмам. На рис. приведен полный спектр цепей радиоактивных распадов, которые приводят к получению различных стабильных изотопов кислорода 16О (рис. 2а), 17О (рис.

2б) и О (рис. 2с). Рис. 2 основан на данных, заимствованных из работ [32, 33].

Стрелки показывают направления реакций. Символ изотопа, происхождение которого рассматривается на рисунке, помещен справа внутри круга, обрисованного толстой линией. Некоторые цепи радиационных превращений дают побочно другие изотопы кислорода;

их символы расположены в правой части рисунка внутри кружков, обрисованных тонкой линией. Радиоактивные изотопы помечены звездочками. В тех случаях, когда изотоп превращается по двум или трем различным реакциям, указана степень превращения по каждой из реакций. На рисунке показана природа каждой реакции (– – распад с испусканием электрона, захват – захват электрона протоном, n – эмиссия нейтрона и p – эмиссия протона) и указан период полураспада каждого радиоактивного элемента суммарно по всем реакциям, по которым он распадается. Чем левее расположен элемент в цепи радиоактивных превращений, тем больше отношение числа нейтронов к числу протонов в его атомах. Периоды полураспада элементов находятся в диапазоне от миллисекунд до часов, т.е. полная цепь превращений от исходного радиоактивного изотопа до стабильного изотопа кислорода проходит полностью весьма быстро в космическом масштабе времени.

Анализ этого спектра привел нас к следующим выводам. Существовало три разделенных во времени потока звездной эмиссии, содержавших стабильные изотопы кислорода: базовый поток (I) и два дополнительных потока (II и III). В базовом потоке было некоторое относительное содержание 16 17 О8, О8 и О8, которое не поддается количественному определению, а в О8/18О8 = 1/1 и 1/2 соответственно. Эти результаты дают потоках II и III возможность количественно объяснить феномен Клейтона без введения представления об участии двух явлений (реликтовой небулы и взорвавшейся звезды) в образовании СС. Действительно, если в образовании различных объектов СС участвовал поток I с различными примесями потока II или поток I с различными примесями потока III, то должны были наблюдаться закономерности, которые соответствуют рис. 1. В этом случае наличие на Земле, Луне и Марсе горных пород с различным изотопным содержанием кислорода должно свидетельствовать о том, что эти породы образовались в различных частях СС и затем выпали на соответствующие небесные объекты, например, в виде метеоритов. Такой подход к объяснению эмиссии элементов от стареющей звезды может быть применен и к другим химическим элементам, например, к обнаруженным в работах [19–21] существенным С6/13С6 в углеводородах на разных различиям изотопных отношений планетах.

Рис. 2. Цепи превращений радиоактивных атомов, дающих стабильные изотопы кислорода 16O (рис. а), 17O (рис. b) и 18O (рис. с).

Отметим, что, возможно, на основе предложенного нами механизма трансформации нанокапель нейтронно-протонного вещества звезд в атомы химических элементов может быть также решена проблема образования атомов элементов, более тяжелых, чем атомы железа. В соответствии с отчетом Национального Исследовательского Совета США, эта проблема является одной из важнейших проблем современного естествознания [34].

Согласно нашему механизму, атомы элементов образуются из вещества звезды не в результате постепенного усложнения атомов, возникших ранее, а в результате трансформации бесструктурных нейтронно-протонных капель, размер которых увеличивается во времени в течение предвзрывного индукционного периода. Усложнение атомов не связано с преодолением стабилизирующего эффекта ядерных оболочек [35, 36]. Таким образом, не возникает нерешаемая проблема перехода атомов железа в термодинамически менее выгодные атомы более тяжелых элементов.

Учитывая сформулированные выше принципы простоты и повторяемости, мы считаем, что представление о достаточности одного природного явления, а именно – взрыва звезды, для образования планетной системы имеет предпочтение перед представлением о взаимодействии взрыва звезды с некоей реликтовой небулой, если для последнего нет реальных оснований. В настоящее время известно, что образование планетных систем происходит весьма часто и является обычным явлением. Если бы планетные системы образовывались при взаимодействии двух несвязанных между собой явлений, какими являются взрывы звезд и реликтовые небулы, планетные системы, скорее всего, были бы весьма редким явлением во Вселенной.

От взрыва звезды до образования метана в земной коре ФФО–ХФО гипотеза [7, 8, 37–40], созданная нами в рамках LOH гипотезы, описывает простейший вариант возникновения СС от одного «родителя», т.е. мы предлагаем решение проблемы о том, как могла возникнуть СС в результате взрыва звезды без взаимодействия с газо пылевым облаком предыдущего поколения. Актуальность поисков решения вряд ли может вызвать сомнения. Проблема: "одна или более чем одна небула была прародительницей существующих планет, и, если одна, то чем обусловлены принципиальные различия планет", – квалифицирована в 2008 г.

Национальным Исследовательским Советом США (US National Research Council) как важнейшая среди десяти наиболее актуальных геологических и планетологических проблем XXI века [41]. От её решения, в частности, во многом зависит понимание того, как долго человечество сможет пользоваться залежами природного газа и к каким последствиям может привести истощение его локализаций в недрах Земли.

Мы подразделяем объекты СС на физически формировавшиеся объекты (ФФО), находящиеся в холодной области СС (от внешней границы до современного Главного Астероидного Пояса), и химически формировавшиеся объекты (ХФО), находящиеся в теплой области СС.

Взрыв звезды, предтечи современного Солнца, привел к образованию солнечной небулы, состоявшей из облаков, которые содержали протоны, атомы, радикалы и т.д. Небула быстро расширялась и постепенно охлаждалась. В этот период образовывались молекулы Н2 и другие двухатомные частицы, преимущественно гидридной природы, т.к. атомы водорода и гелия составляли более чем 99% небулы. Атомы водорода, как наиболее легкие, быстрее других удалялись от области взрыва, но они превалировали во всех небулярных облаках, и потому водород присутствовал во всем пространстве небулы, хотя его концентрация повышалась по мере удаления от центра взрыва.

Водород, вследствие электронного строения его атомов, образует химические связи с атомами подавляющего большинства химических элементов. Энергия связи грамм-атома водорода с грамм-атомом любого из наиболее легких химических элементов весьма велика и значительно выше, чем энергия связи с грамм-атомом водорода (216 кДж/г-ат Н). Например, для атомов C, N, O, F, Cl, P и В она равна 411, 386, 459, 565, 428, 322 и 389 кДж/г ат Н соответственно (см. табл. 1, где приведены массовые числа и энергии связи с водородом для атомов, наиболее легких и наиболее прочно связывающихся с водородом). Более того, в расчете на грамм-атом, энергия связи с атомами водорода для атомов многих элементов значительно выше, чем энергия связи атомов каждого из этих элементов между собой (энергия Таблица 1. Энергия межатомных связей № Частица Массовое D, Ссылка п/п число кДж/г-ат H 1 H–H 2 216 [42] 2 He 4 3 H–Li 8 238 [43] 4 H–Be 10 281 [44] 5 H–B 12 389 [42] 6 H–C 13 413 [42] 7 H–N 15 386 [42] 8 H–O 17 459 [42] 9 H–F 20 565 [42] 10 Na 23 11 Mg 24 12 Al 27 13 H–Si 29 314 [42] 14 H–Р 31 322 [42] 15 H–S 33 363 [42] 16 H–Cl 37 428 [42] 17 Ar 40 18 H–Br 80 362 [42] связи для О–Н (459 кДж/г-ат Н) много больше, чем для Н–Н (216 кДж/г-ат Н)).

Поскольку атомов C, N, O, F, Cl, P и др. было в небуле намного меньше, чем атомов водорода, они сталкивались между собой гораздо реже, чем сталкивались между собой атомы водорода. Поэтому атомы какого-либо из перечисленных элементов в расширявшейся после взрыва небуле преимущественно образовывали двухатомные частицы с водородом CН, NН, OН, FН, ClН, PН и др. (гидриды), а не взаимодействовали попарно или с атомами другого из перечисленных элементов. В расширявшейся после взрыва небуле скорость образования гидридных двухатомных частиц была максимальной в ее теплой области, где частоты межатомных валентных колебаний не были слишком велики (при не слишком высокой температуре), т.е. на достаточном удалении от горячего центра взрыва, и где концентрация водорода была достаточно высокой, чтобы соударения не были слишком редкими.

Таким образом, на первой стадии аккумуляции вещества небулы образовывались двухатомные гидридные частицы и молекулы Н2, которые продолжали удаляться от центра взрыва и охлаждаться в результате потери собственной энергии и удаления от источника радиации.

Видимо, существовала тенденция образования вокруг центра взрыва облачных диффузно-ограниченных поясов из одинаковых по массе и моменту двухатомных частиц. Пояса из наиболее легких частиц формировались в удаленных и весьма холодных областях небулы;

по-видимому, они располагались первоначально много дальше от центра взрыва, чем орбиты современных планет от Солнца, т.е. в холодной зоне пространства, где химические реакции были практически невозможны вследствие наличия энергии активации. Исключение составляли реакции радикалов, таких как CН, NН, OН, PН и др., которые гидрировались до молекул СН4, NH3, Н2О и др.

Пояса концентрирования СН4, NH3 и Н2О следовали один за другим вдоль диаметра небулы и могли частично накладываться друг на друга. Атомы C, N и O были наиболее распространены в небуле после атомов Н и He;

если массу небулы уменьшить на массу Н и He, то C, N и O составляли около 75% от остатка [45]. Однако, вследствие низкой температуры, молекулы Н2О, СН4 и NH3 не могли химически реагировать между собой в существенной степени.

Постепенно внешняя область небулы охладилась до температуры, близкой к температуре реликтового пространства, составляющей несколько кельвинов, и начался физический процесс конденсации He и Н2. В более теплой области небулы, где находились тяжелые атомы и гидриды, концентрация их в расширившейся небуле на раннем этапе была очень низкой, и поэтому там не могли протекать ни конденсационные процессы, ни химические реакции.

В холодной области зарождавшейся Солнечной системы вдали от центра взрыва наиболее быстрые молекулы Н2 покидали небулу, а часть молекул Н2 конденсировалась на ядрах конденсации, состоявших из зародышей кристаллов наиболее легких гидридов LiH, ВеН2 и ВН3. Стартовал процесс формирования ФФО, в котором определяющую роль играли процессы физической адсорбции и нуклеации, конденсации, испарения, гравитационного притяжения и т.д.

Таким образом, формирование капель, пылевых частиц, агломератов и холодных протопланет началось на дальней периферии небулы после охлаждения частиц Н2, Не, а также Li, Be, B и их гидридов. По-видимому, молекулы Н2, Не, СН4 и молекулы LiH, Be, B, Н2О, NH3 образовывали жидкие и твердые агломераты соответственно. Мы полагаем, что ядра современных холодных небесных тел Пояса Койпера и планет Нептуна, Урана, Сатурна и, возможно, Юпитера обогащены легкими металлами Li (плотность 0.539 г/см3), Be (плотность 1.84 г/см3) и B (плотность 2.35–2.46 г/см3). Отметим, что средняя плотность современных Нептуна (1.67 г/см3), Урана (1.26 г/см3) и Сатурна (0.68 г/см3) весьма низка по сравнению с плотностью Меркурия (5. г/см3), Венеры (5.5 г/см3) и Земли (5.52 г/см3), а плотность Марса (3.95 г/см3) имеет промежуточное значение.

Орбиты увеличивавшихся по массе агломератов постепенно снижались, т.е. небула постепенно сжималась. Наиболее “удачливые” конденсированные тела увеличивались в массе быстрее других и потому характеризовались более сильным гравитационным притяжением. Они постепенно “перетягивали” к себе Н2, Не, а также СН4, от менее крупных небесных объектов, уменьшая массу этих объектов и оголяя в большей или меньшей степени их ядра, состоявшие в основном из легких металлов и их гидридов, и превращая эти тела в спутники или повышая их околосолнечные орбиты. По-видимому, именно таким был механизм образования Плутона и других малых планет пояса Койпера. Формировавшиеся холодные объекты СС, по мере снижения их орбит, пересекали пояса, состоявшие из атомов более тяжелых химических элементов, чем те, которые составляли основу состава этих объектов, и, таким образом могли обогащаться этими элементами.

Система постепенно коллапсировала к области центра взрыва в результате конденсационных процессов и в соответствии с законом сохранения момента, и ее температура постепенно росла, повышаясь от периферии к центру, где степень сжатия была наиболее высокой. Она коллапсировала как единое целое, т.к. отдельные объекты были связаны между собой гравитационными силами. Этот процесс привел, как упоминалось выше, к повышению температуры в центре сжатия до критического значения и к “зажиганию” Молодого Солнца. Он же привел к постепенному увеличению в теплой части небулы концентрации более тяжелых частиц, чем те, из которых в основном состояли холодные протопланеты, и к развитию химических экзотермических реакций в этой части небулы между металлами и металлоидами.

Протекание химических реакций приводило к локальным уплотнениям материи в теплой области небулы и к образованию зон пониженного давления в окрестностях этих уплотнений. Стартовал процесс формирования ХФО.

Скорости химических процессов увеличивались экспоненциально в результате прогрессировавшего сжатия небулы, разогревания пространства Солнцем и выделения тепла экзотермических химических реакций соединения. Возникли гигантские сжимающие вихри в тех областях небулы, где реакции были особенно интенсивными. В результате этих катастрофических явлений первичные уплотнения быстро превратились в горячие небесные тела, формировавшиеся внутри вихрей благодаря возраставшей силе гравитационного притяжения. По-видимому, теплота реакций соединения была способна расплавить эти тела, но не была способна испарить их. Мы полагаем, что шарообразность формы планет земной группы и их крупных спутников обусловлена тем, что ядра были расплавлены в период формирования. В окрестностях гигантских вихрей возникали зоны вакуума и гравитационного притяжения. Это стимулировало потоки легких холодных парообразных и газообразных веществ и астероидоподобных агломератов из дальнего пространства и потоки астероидоподобных агломератов не столь легких веществ из ближних областей пространства к горячим ядрам. Холодные потоки осаждались на горячей поверхности ядер ХФО, охлаждали их и образовывали внешнюю кору. Шарообразные «термосы», возникшие в результате этих процессов, постепенно превратились в планеты земной группы и их спутники. Астероидоподобные небесные тела, сформировавшиеся в поясах, располагавшихся ранее вокруг взорвавшейся звезды, и упавшие на поверхность формирующихся планет, образовали локализации минералов, такие как гора Магнитная на Урале, полукилометровый подповерхностный соляной столб в районе Солотвино на Карпатах или локализации минералов, оказавшиеся под слоем грунта. Только наиболее крупные сформировавшиеся холодные тела, обладавшие мощной собственной гравитацией, не были захвачены этими дьявольскими вихрями, а небольшие, лишь недавно начавшие свою историю, холодные тела в удаленных частях пространства потеряли свои газовые оболочки и превратились в облака современных астероидов. Внешние слои планетной коры Земли и Марса были вначале холодными и постепенно разогревались в результате процессов, которые вели к установлению теплового равновесия между тепловым излучением в окружающее пространство и поступлением тепла от Солнца и из планетных ядер.

По-видимому, особую роль в формировании современной Солнечной Системы сыграл пояс, состоявший из гидроксилов, которые постепенно превращались в молекулы воды. Именно этот пояс обозначил границу между ФФО и ХФО. По мере сжатия небулы, концентрация частиц в водяном поясе увеличилась, температура повысилась, и создались условия, способствовавшие кристаллизации воды. Ледяные агломераты или были захвачены крупными холодными небесными телами, которые по мере роста постепенно снижали свои орбиты, или перешли на орбиты, более близкие к Молодому Солнцу, где были поглощены ХФО или испарились, причем пары воды вновь удалились от центра системы. Некоторые из водных агломератов, по мере снижения их орбит, реагировали с тяжелыми металлами и металлоидами и образовывали оксидные и (или) солевые массы, главным образом, оксиды тяжелых металлов, карбонаты, нитраты и фосфаты и таким образом участвовали в формировании планет земной группы и других объектов.

В результате, большая часть воды, имеющейся в Солнечной Системе, попала в область, расположенную за орбитой современного Марса, и находится там в виде льда. Вследствие довольно высокой температуры кипения и низкой массы молекул, вода локализовалась на Марсе лишь в незначительной степени, а в основном была захвачена более холодным и массивным Сатурном и его спутниками. Та часть воды, которая попала в область формирования теплых планет земной группы, не локализовалась на “горячих” Меркурии и Венере, а была поглощена более холодной и массивной Землей, вероятно, в основном в виде ледяных астероидов.

Средние и малые метановые и аммиачные агломераты, которые не были поглощены и не были захвачены на орбиты крупных небесных тел, формировавшихся в холодной области небулы, стабилизировались на орбитах, на которых силы притяжения крупных объектов были взаимно уравновешены, или испарились, попав в теплую область пространства.

Большая часть образовывавшихся при этом паров метана и аммиака возвратилась в область орбит холодных планет и, в конце концов, поглотилась Юпитером и Сатурном.

Рассмотренная общая схема формирования ФФО позволяет понять, почему подавляющая часть легких элементов, таких как Н, С, N и О находится в составе ФФО, т.е. на периферии Солнечной Системы, почему эти элементы находятся там, в основном, в виде Н2, Н2О, NН3 и СН4 и почему эти вещества находятся в основном тем дальше от Солнца, чем меньше их массовое число. Согласно приведенной общей схеме, ядра дальних планет должны быть обогащены литием, бериллием и бором.

В настоящее время известно немного достоверных сведений о составе планет;

особенно мало известно о холодных далеких планетах. Однако есть основания считать (см. Табл. 6 в [8]), что водород и гелий находятся в основном в составе Нептуна, Урана, Сатурна и Юпитера, причем отношение гелий/водород снижается от Юпитера к Нептуну;

метан присутствует в атмосферах дальних планет и их спутников, почти отсутствует в атмосфере Марса и отсутствует в атмосфере других планет Земной группы;

метан (газ) и другие углеводороды (газы и жидкости) обнаружены в изобилии на спутниках Сатурна и на более удаленных небесных телах [18, 20, 21];

аммиак присутствует в составе Урана, Сатурна и Юпитера, но отсутствует в составе других планет;

вода, по-видимому, сконцентрирована в составе Юпитера и Сатурна и в окрестностях орбит этих планет на Европе, Энцеладе, Ганимеде и астероидах Главного Астероидного Пояса [8, 46-51], а также – в составе комет [52, 53] (происхождение которых является предметом дискуссий).

На астероиде Эрос (33•13•13км), космическая станция NASA NEAR Shoemaker (2001 год) обнаружила кратер диаметром около 6 км, который оставил много загадок. Одной из них является глубокий желоб, который тянется на несколько километров от кратера, но не заканчивается выброшенным из кратера камнем. Возможно, это означает, что Эрос представляет собой “цистерну”, ядро которой состоит из твердого аммиака (или водяного льда), термостатированного под внешним слоем, причем кусок содержимого “цистерны”, выброшенный из кратера, испарился под действием солнечной радиации.

Из рассмотренной схемы формирования Солнечной Системы вытекают некоторые следствия, важные для понимания условий формирования Земли в период, который предшествовал возникновению ПЭЖМ.

Главные из них состоят в следующем. Метан и аммиак лишь в весьма небольшой степени могли участвовать в формировании Земли, т.к. эти вещества первоначально концентрировались во внешнем пространстве небулы, затем поглотились планетами-гигантами или циркулировали между орбитами Юпитера и Марса, испаряясь вблизи Марса и конденсируясь на более высоких орбитах, и в конце концов поглотились холодными планетами.

Что касается воды, то некоторые водные агломераты, покрытые слоем пыли, “проваливались” в область более низких орбит, не испаряясь, и потому могли участвовать в формировании Земли вплоть до создания образований такого масштаба как земные океаны. Источником земного углерода (в том числе, метана, жидких углеводородов и живой материи) был не метан, который концентрировался на периферии СС и потому не достигал в своем круговороте области формирования Земли, а относительно небольшое количество оксидов углерода (небольшое, по сравнению с общим количеством углерода в небуле), которые образовались в теплой области формирования ХФО в результате соударений атомов С и О и дальнейших химических превращений, происходивших, в том числе, на поверхности и в недрах планеты.

Помимо сказанного выше, в пользу последнего вывода говорят два обстоятельства. Во-первых, энергия связи С=О велика (799 кДж/моль СО), а атомов O в СС больше, чем каких-либо иных атомов [54], кроме водорода и гелия, и поэтому число соударений между атомами С и О в небуле было больше, чем число соударений атомов C с атомами какого-либо другого (кроме Н и Не) элемента, и небольшое количество оксидов углерода должно было образоваться. Во-вторых, относительная концентрация атомов C на Земле весьма мала, по сравнению с их относительной концентрацией в СС (например, как следует из [54, 55], атомные отношения в земной коре (С/Si) = 0.0084 и (С/Ca) = 0.095, а в СС в целом (С/Si) = 7.08 и (С/Ca) = 112), и предложенные нами механизмы объясняют это нетривиальное различие.

Согласно нашему рассмотрению, легкие атомы C в основном находились на периферии небулы в области формирования ФФО, в то время как более тяжелые атомы Si и Ca находились в области формирования ХФО, к которым относится Земля.

Таким образом, наличие большого количества водорода в небуле и свойство атомов Н связываться химически с атомами C привели к тому, что подавляющая часть углерода небулы оказалась в составе холодных планет гигантов, а Земле досталась лишь небольшая доля углерода небулы, а именно часть того углерода, который успел связаться с кислородом в процессе расширения небулы.

На стадии сжатия небулы, когда в теплой ее части концентрация веществ увеличивалась, протекали химические реакции и формировались ХФО, диоксид углерода взаимодействовал с металлами с образованием карбонатов, которые, наряду с другими веществами, входили в состав ХФО.

ХФО постепенно трансформировались в планеты земной группы и их спутники.

Свойство водорода, родственное свойству, описанному выше, привело к тому, что внутри Молодой Земли оказались значительные объемы элементарного водорода, который впоследствии переходил в связанное состояние. Дело в том, что частицы протопланетной пыли должны были быть покрыты слоем хемосорбированного водорода, который, вследствие особенности электронной структуры Н-атомов, хемосорбируется на различных твердых телах в широкой области изменения температуры и поляризует поверхность твердых тел различным образом, в зависимости от их химической природы. Различия электростатического потенциала частиц, обусловленные адсорбцией водорода, стимулировали "слипание" частичек пыли и формирование агломератов. Агломераты состояли в основном из слабо структурированных мельчайших пылинок с высокоразвитой внутренней поверхностью. Удельное содержание водорода в них должно было быть высоким, так как в небуле количество атомов водорода многократно превалировало над содержанием любых других атомов. Большая часть вещества, которое образовывало кору теплых планет, состояла из мелких агломератов такого типа. Поэтому во внешнем слое формировавшейся Земли находилось большое количество хемосорбированного реакционноспособного водорода.

Таблица 2. Изменения стандартных значений энтальпии i(fHj0), энтропии iSj0 и свободной энергии Гиббса iG0 для реакций образования углеводородов из водорода и диоксида углерода i(fHj0) iSj0 iG Реакция Номер кДж/мол Дж/мол К кДж/мол реакции (i) 4Н2(г) + СО2(г) = СН4(г) + 2Н2О(ж) –252.8 –409.8 –130.6 (1) 7Н2(г) + 2СО2(г) = С2Н6(г) + 4Н2О(ж) –440.3 –832.5 –192.1 (2) 10Н2(г) + 3СО2(г) = С3Н8(г) + 6Н2О(ж) –638.3 –1257 –263.6 (3) 6Н2(г) + 2СО2(г) = С2Н4(г) + 4Н2О(ж) –303.9 –711.8 –91.68 (4) 8Н2(г) + 3СО2(г) = С3Н6(г) + 6 Н2О(ж) –514.0 –998.9 –216.2 (5) 19Н2(г) + 6СО2(г) = С6Н14(г) + 12Н2О(ж) –1236 –2537 –479.9 (6) Постепенно температура коры увеличилась вследствие диффузии тепла из внутренних горячих слоев планеты. Если по соседству с локализациями водородонаполненных агломератов оказывались локализации карбонатов или если водород был хемосорбирован на локализованных и затем “засыпанных” другими породами массами карбонатов, то при повышении температуры мог образовываться метан по реакции водорода с диоксидом углерода. Как следует из табл. 2, убыль стандартной энергии Гиббса при протекании этой реакции весьма велика и поэтому в широком интервале изменения условий до примерно 600–700 K она могла протекать вплоть до почти полного превращения одного из исходных газов. Синтез более тяжелых углеводородов тоже термодинамически возможен. Носителями водорода были алюмосиликатные структуры, которые могли содержать примеси других металлов. Они могли оказывать каталитическое действие, ускоряя метанизацию диоксида углерода.

Образование метана происходило с выделением воды и с уменьшением объема газа. Это стимулировало диффузию газов и жидкостей в систему извне. Если условия благоприятствовали, могли идти реакции получения более сложных углеводородов. Если поблизости присутствовала вода, она заполняла образовавшийся вакуум, и это могло препятствовать дальнейшему превращению метана. Когда ядро планеты потеряло большую часть внутреннего тепла и температура земной коры в местах локализации метана снизилась до уровня вблизи 273 K, мог образоваться гидрат метана. В сухих породах и там, где температура не опускалась до достаточно низкого уровня, метан сохранялся в виде газа.

Из нашей гипотезы следует, что запасы метана в недрах Земли отнюдь не безграничны. Дело в том, что теплота хемосорбции водорода невелика, и водород, хемосорбированный в космическом пространстве при низких температурах, при температурах выше 250 K должен в значительной степени десорбироваться. Поэтому он мог сохраниться на Земле только в том случае, если температура поверхности, на которую выпадали водородонаполненные агломераты, была не выше этого уровня. Надо также иметь в виду, что для того, чтобы водород при нагревании водородонаполненных агломератов не десорбировался в околоземное пространство, а остался локализованным в подземном “хранилище”, оно должно было быть надежно захоронено под слоем грунта. Если принять, что граница Мохоровичича была верхней границей расплавления Земли в период ее образования, то можно ожидать, что в каком-либо районе чем больше глубина Мохо и чем больше заглубленных пористых цеолитоподобных грунтов, тем с большей вероятностью в этом районе могли присутствовать локализации водорода.

Если там к тому же присутствовали карбонаты, то мог образоваться метан.

Отметим, что до сих пор в недрах Земли сохранились локализации элементарного водорода. Известны проявления природного газа, содержащие от 10 до 50% водорода [56].

От метана до протоклеток Каждому биологическому виду присуща ДНК определенного состава.

Обычно даже вирусы и вироиды относят к живым организмам, хотя вирус представляет собой лишь молекулу ДНК, заключенную в протеиновую оболочку, а вироид – это ДНК, даже не имеющая оболочки. Белок создается в результате функционирования ДНК, и строение ДНК определяет основные функциональные особенности организма. Поэтому образование в природе ДНК из простых минеральных веществ мы рассматриваем как возникновение простейшей живой материи.

LOH-гипотеза в ее части, непосредственно относящейся к возникновению простейших форм живой материи, состоит в следующем. Мы предполагаем, что ПЭЖМ, включая ДНК- и РНК- подобные молекулы, возникли под поверхностью Земли внутри структуры гидрата метана из метана и нитрат- и фосфат-ионов, диффундировавших в структуру гидрата, а первые простейшие клеточные организмы возникли в “бульоне”, образовавшемся после диссипации структуры гидрата в результате диффузии в нее избыточной воды или в результате медленного разогрева среды.

Рис. 3. Последовательность процессов, которые привели к образованию протоклеток (эллипс символизирует подземную полость).

Как мы упоминали, гипотеза инициирована обнаруженным нами соответствием между размерами полостей гидратов и размерами структурных элементов ДНК и РНК, а именно – азотистых оснований (N-оснований), рибоз и фосфатных групп, и полученными экспериментальными данными, которые дали основание предполагать, что гидратные структуры существуют не только в твердом состоянии, но и в текучих водных средах при температурах вблизи температуры их затвердевания.

LOH-гипотеза (см. [4–11]) предполагает термодинамически обоснованный, допускающий многократное воспроизведение путь образования нуклеиновых кислот из трех широко распространенных веществ.

Схематически этот путь показан на рис. 3. В одной локализации гидрата метана синтезируются молекулы ДНК и РНК (включая полный набор компонентов для их синтеза), одинаковые по структуре, но разные по последовательности расположения N-оснований. Последнее обстоятельство весьма важно, так как видовые особенности организма определяются именно последовательностью N-оснований в структуре ДНК. Гипотеза предлагает также предположительный механизм отбора правовращающих молекул рибозы для синтеза молекул рибонуклеиновых кислот.

Известны структуры гидратов I, II и H. Их обычно называют газовыми гидратами, так как они были обнаружены как соединения, образуемые инертными газами.

Это трехмерные сотовые структуры, состоящие из матрицы, построенной из водородно-связанных молекул воды («хозяин»), которые образуют полости определенных размеров, и из «гостевых» молекул, расположенных внутри полостей матрицы и связанных с ними силами Ван дер-Ваальса.

Рис. 4. Полости кристаллических решеток газовых гидратов структур I, II и H.

На рис. 4 показаны структурные полости газовых гидратов. В вершинах граней расположены атомы О, принадлежащие молекулам воды. Вдоль каждого ребра расположены атом Н одной молекулы воды и атом О другой молекулы воды, которые водородно-связаны между собой. Гидрату метана обычно свойственна структура I. Известно, что структуры могут перестраиваться одна в другую в зависимости от внешних условий и природы гостя.

Для гидратов I, II и H формула элементарной кристаллической ячейки имеет вид (S)2·(L)6·46H2O, (S)16(L+)8·136H2O и (S)3(S’)2(L++)·34H2O соответственно (здесь S, S’ L, L+ и L++ – «гостевые» молекулы, находящиеся в малой, совсем малой, средней, большой и самой большой полостях соответственно. Гидратные структуры остаются стабильными до тех пор, пока содержание гостевых молекул составляет не менее 75–80% от стехиометрии.

Каждая элементарная кристаллическая ячейка структуры I, II или H содержит 2 малых 512 (ограниченных 20-ью молекулами воды) и 6 средних (ограниченных 24-мя молекулами воды) полостей, 16 малых 512 и 8 больших 51264 (28 молекул воды) полостей или 3 малых 512, 2 совсем малых 435663 ( молекул воды) и 1 самую большую 51268 (36 молекул воды) полостей соответственно. Согласно [57], в полостях 512, 51262, 51264, 435663 и 51268 могут размещаться молекулы, имеющие диаметр (в нм) 0.36–0.44 (например, Ar, O2, N2 и CH4), 0.36–0.54 (CO2 и C2H6), 0.56–0.62 (C3H8 и (CH3)3CH), 0.36 (CH4) и 0.70–0.86 ((CH3)3CC2H5) соответственно. Согласно другим данным [58], диаметры свободного объема малой (S), средней (L) и большой (L+) полостей составляют 0.50, 0.59 и 0.69 нм соответственно. Показано, что водные растворы циклических органических жидкостей, состоящих из больших молекул, таких как фуран (CH)4O и тетрагидрофуран (CH2)4O, образуют твердые гидратные структуры II при температурах ниже 298 K [58]. Иногда атомы больших «гостевых» молекул участвуют в образовании граней полостей [59], например в так называемых полуклатратных гидратах, таких как гидраты н-пропиламина и других алкиламидов. Рис. 5, сделанный в масштабе, показывает, что размеры N-оснований, входящих в состав нуклеиновых кислот, соответствуют размерам больших полостей структуры II газового гидрата, а размеры фосфатной группы соответствуют размерам малой полости газового гидрата. Рисунок показывает N-основания, попарно связанные водородными связями в структуре двойной спирали ДНК. N-основание урацил, которое входит в состав РНК, на рисунке не показано;

по размерам оно аналогично цитозину.

Согласно LOH-гипотезе, сначала из молекул метана и нитрат-ионов, диффундирующих внутрь структуры гидрата, синтезируются N-основания в больших полостях и рибозы в малых полостях и попарно взаимодействуют внутри структуры, образуя так называемые нуклеозиды;

затем внутрь структуры по свободным малым полостям диффундируют фосфат-ионы и связывают нуклеозиды между собой с образованием ДНК- и РНК-подобных молекул. Когда в систему диффундирует избыточная вода или когда повышается температура, структура диссипирует и образуется водный бульон, содержащий ДНК- и РНК-подобные молекулы разного состава и разной длины, нуклеотиды, нуклеозиды, рибозы и другие частицы, состоящие из атомов Н, С, N, О и Р, и вполне достаточный по своему химическому содержанию, чтобы в нем синтезировались аминокислоты и другие основные вещества, которые присутствуют в клетках живой материи.

Молекулы нуклеиновых кислот монохиральны. Их растворы вращают плоскость поляризации проходящего света вправо. Это вызвано тем, что в состав молекул входят только правовращающие молекулы D-рибозы в РНК и дезокси-D-рибозы в ДНК. Между тем, D-форма не отличается от левовращающей L-формы молекул ни химическим составом, ни структурой, ни свободной энергией. Поэтому в химических реакциях D- и L-формы образуются из исходных веществ в равных количествах. Отличие состоит лишь в геометрии;

L- и D-молекулы являются зеркальными копиями. Вопрос о том по какой причине и по какому механизму происходит отбор D-форм для синтеза молекул ДНК и РНК, обсуждается со времен Л. Пастера, но решение его не найдено. Мы предполагаем, что монохиральность нуклеиновых кислот – следствие геометрии структурной матрицы, в которой они образуются. По видимому, только D-формы могут соединить между собой азотистые основания и фосфатные группы в структуре газового гидрата;

между тем, протекание этой реакции соответствует выигрышу свободной энергии системы. Поэтому реакция «отбирает» D-формы и этим смещает равновесие реакции образования молекул рибозы в сторону D-формы.

Рис. 5. Масштабная иллюстрация соответствия между размерами больших полостей гидратной структуры II (большие круги) и размерами N-оснований соседних водородно-связанных молекул ДНК в двойных спиралях и соответствия между размерами малой полости гидратной структуры II и размерами фосфатной группы.

Наиболее подробное рассмотрение процессов от синтеза N-оснований и рибоз до образования протоклеток дано в [8].

Заключение Согласно нашей гипотезе, метан сыграл определяющую роль в возникновении живой материи на Земле. Более того, мы полагаем, что в отсутствие твердых локализаций метана (или другого углеводорода) живая материя в том виде, в каком мы ее знаем, не может возникнуть нигде. Дело в том, что синтез таких сложных молекул с повторяющимися звеньями, какими являются молекулы нуклеиновых кислот, по нашему мнению, не может пройти нигде кроме как в неподвижной матрице, причем эта матрица должна содержать по крайней мере один компонент, необходимый для синтеза ДНК и РНК, потому что многократные встречи трех компонентов в одном месте – достаточно редкое событие, а встреча четырех компонентов кажется вовсе невероятной. Что касается синтеза метана в недрах Земли, то теперь, после того как мы доподлинно узнали, что в СС существуют огромные количества метана и других углеводородов, которые были в газовой фазе синтезированы природой из атомов, эмитированных взорвавшейся звездой, когда мы знаем, что Земля еще до сих пор “дышит” водородом и содержит различные карбонат-содержащие минералы, вряд ли есть основания сомневаться в его возможности. Нельзя исключить, что часть метана могла образоваться в результате генезиса растительных остатков, но в то же время надо признать, что Земная кора является весьма подходящим реактором для синтеза метана из водорода и диоксида углерода. В настоящее время нет веских оснований, которые бы свидетельствовали против этого.

Научные дискуссии ведутся в основном вокруг происхождения нефти.

Различные мнения по этому вопросу высказываются в литературе по крайней мере с XVI века, начиная с Агриколы. Гипотезы, относящиеся к происхождению нефти, предлагались М.В. Ломоносовым, Д.И. Менделеевым, В.Д. Соколовым, М. Бертло, Г. Биассоном, И.М. Губкиным, Э.М. Галимовым, Г. Гласби, Дж. Кенней, Н.А. Кудрявцевым, А.А. Маракушевым и многими другими. Было предложено множество различных возможных механизмов образования нефти из органических остатков и из минералов. Согласно работе [60], к 1964 году в США “…десятилетние усилия шести крупных институтов в рамках общего исследовательского проекта не дали никаких доказательств того, что радиологическая, химическая и каталитическая конверсии углеродных соединений были важными процессами формирования алканов”.

Позднее в нефти были обнаружены так называемые биомаркеры (порфирины, изопреноиды, пристан и др.) [61] и было обнаружено, что относительное содержание С в углероде нефти и различных видах живой материи несколько отличается от относительного содержания 13С в массивном угле (см., например, [19]). Эти данные были использованы в качестве подтверждения биологического происхождения нефти. Однако, после того как было установлено, что отношение 12С/13С в различных соединениях углерода, находящихся на одной планете, и в соединениях углерода, находящихся на разных планетах, может существенно различаться, значимость выводов, сделанных относительно происхождения нефти на основании измерения С, может быть поставлено под сомнение. Что касается так называемых биомаркеров, то они могут быть продуктами окисления метана нитрат-ионами, диффундировавшими в локализацию, в которой происходил синтез нефти.

С другой стороны, экспериментальные работы последних лет, выполненные в разных странах, показали возможность абиогенного синтеза углеводородов в глубинных условиях [62, 63]. Таким образом, вопрос о происхождении нефти остается открытым.

Литература 1. Аристотель, Сочинения в четырех томах, т. 3, М.: Мысль, 1981 г.

2. E.A. Kadyshevich, V.E. Ostrovskii, Thermochim. Acta, 458 (2007) 148.

3. Ньютон И. Математические начала натуральной философии, т. II, (перевод с лат. А. Н. Крылова, М.: Наука, 1989.

4. Ostrovskii V.E., Kadyshevich E.A., Orig. Life Evol. Biosph., 39 (2009) 219.

5. E.A. Kadyshevich, V.E. Ostrovskii, J. Therm. Anal. Calor., 95 (2009) 571.

6. Островский В.Е., Кадышевич Е.А., Химия и жизнь-XXI век, (2009) №5, 24.

7. Островский В.Е., Кадышевич Е.А., Дегазация Земли: геодинамика, геофлюиды, нефть, газ и их парагенезы, ГЕОС, Москва, 2008, 374.

8. Островский В.Е., Кадышевич Е.А., Успехи физ. наук, 177 (2007) 183.

9. Ostrovskii V.E., Kadyshevich E.A., Thermochim. Acta, 441 (2006) 69.

10. Ostrovskii V.E., Kadyshevich E.A., Intern. J. Nanosci., 1 (2002) 101.

11. Островский В.Е., Кадышевич Е.А., Ж. физ. химии, 74 (2000) 1114.

12. Ostrovskii V.E., Kadyshevich E.A., XII Evolutionary Biology Meeting, Marseille, France, 2008;

IV Intern. Conf. on the Origin of Life, Florence, Italy, 2008;

The 5th International and 7th China-Japan Joint Symposium on Calorimetry and Thermal Analysis, Dalian, China, 2008;

The 2nd Intern. Conf. on "Advances in Petrochemicals and Polymers" (ICAPP2007), Bangkok, Thailand, 2007;

The 60th Annual Calorimetry Conference, Gaithersburg, USA, 2005;

XXI European Symp.

on Applied Thermodynamics, Jurata, Poland, 2005;

The 36th Intern. Conf. on Coordination Chemistry (ICCC36), Merida, Mexico, 2004;

XII Intern. Symp. On Supramol. Chemistry, Eilat, Israel, 2002;

The 2nd ICSS&T, Leuven, Belgium, 2000;

World Congress on Biotechnology, Berlin, Germany, 2000.

13. Survey of Energy Resources, Interim Update 2009, World Energy Council 2009;

www.worldenergy.org.

14. Financial Bridge Co, http://www.superbroker.ru.

15. Worldwide Look at Reserves and Production, Oil & Gas J., 106 (2008) 22, www.ogj.com.

16. BP Statistical Review of World Energy, 2009;

http://bp.com/statisticalreview.

17. Настольный энциклопедический словарь, Т-ва Бр. А. и И. Гранатъ и К0, 6 ое изд. т. 7, 1903, с. 3460.

18. Brown R.H., Baines, K.H., Bellucci G. et al. Observations in the Saturn system during approach and orbital insertion, with Cassini's visual and infrared mapping spectrometer (VIMS). Astron. & Astrophys., 446 (2006) 707716.

19. Glasby G.P., Abiogenic Origin of Hydrocarbons: An Historical Overview, Resource Geology, 56 (2006) 85–98]).

20. Jennings D.E., Romani P.N., Bjoraker G.L., et al., J. Phys. Chem. A, 113 (2009) 11101–11106.

21. Nixon C.A., Achterberg R.K., Vinatier S., et al., Icarus, 195 (2008) 778.

22. Taylor, G.J., Planetary Science Research Discoveries, (2005);

http://www.psrd.hawaii.edu/May05/chondrulesCAIs.html.

23. Ostrovskii V.E., Kadyshevich E.A., Planet. Space Sci., (2010) (в печати).

24. Boato G., Geochim. Cosmochim. Acta, 6 (1954) 209.

25. Кант И. Всеобщая естественная история и теория неба. Собр. соч. в 6-и томах, т. 1, (М.: Мысль, 1962) 26. Лаплас П. Изложение системы мира, т.т. 1–2, СПБ, 1861.

27. Шмидт О.Ю. Четыре лекции о теории происхождения Земли, (3 изд.), М.:

Изд-во. Акад. наук СССР, 1957.

28. Sandford S.A. Fund. Cosmic Phys., 12 (1987) 1.

29. Clayton R., Annu. Rev. Earth Planet. Sci., 21 (1993) 115.

30. Itoh S., Yurimoto H., Nature, 423 (2003) 728.

31. Krot A.N., Yurimoto H., Hutcheon I.D., MacPherson, G.J., Nature, 434 (2005) 998.

32. Gammel B.M. Table of Isotopes (1997), http://www.matpack.de/Info/Nuclear/Nuclids/nuclids0.html.

33. Audi G., Bersillon O., Blachot G., Wapstra A.H., Nuclear Physics A, (2003) 3.

34. E. Haseltine, http://discovermagazine.com/2002/feb/cover.

35. Myers W.D., Swiatecki W.J., Nucl. Phys. 81 (1966) 1.

36. Strutinesky V.M., Nucl. Phys. A, 95 (1967) 420.

37. Ostrovskii V.E., Kadyshevich E.A., Orig. Life Evol. Biosph., 39 (2009) 217.

38. Ostrovskii V.E., Kadyshevich E.A., Geochim. Cosmochim. Acta, 73 (2009) A 979.

39. Kadyshevich E.A., Meteoritics & Planetary Sci. 44 (2009) A105.

http://www.lpi.usra.edu/meetings/metsoc2009/pdf/5004.pdf.

40. Kadyshevich E.A., EPSC Abstracts, 4 (2009) EPSC2009-1.

41. http://books.nap.edu/openbook.php?record_id=12161&page=9.

42. Darwent B. deB. Bond dissociation energies in simple molecules, National Standard Reference Data Series, NBS, No. 31. Washington, DC, 1970.

43. Жданов В.А., Поляков В.В., Конусов В.Ф., Теор. Экспер. Хим. 10 (1974) 220.

44. Wenthold P.G., Int. J. Mass-spectroscopy, 196 (2000) 319.

45. Сурдин В.Г., Ламзон С.А. Где, как и из чего формируются звезды, М: Наука, 1992.

46. Kivelson M.G, Khurana K.K., Russell C.T., Volwerk M., Walker R.J., Zimmer C., Science, 289 (2000) 1340.

47. Zimmer C., Khurana K.K., Icarus, 147 (2000) 329.

48. Guillot T., Gautier D., Hubbard W.B., Icarus, 130 (1997) 534.

49. Lodders K., The Astrophys. J. 611 (2004) 587.

50. Guillot T., Space Sci. 47 (1999) 1183.

51. Elkins-Tanton L.T. Jupiter and Saturn. N.Y.: Chelsea House, 2006.

52. Yeomans D.K. Comet. WorldBook@NASA, 2005 (доступен также на сайте http://www.nasa.gov/worldbook/comet_worldbook.html).

53. Lawton W., NASA’s ‘Deep Impact’ Team Reports First Evidence of Cometary Ice, http://www.brown.edu/Administration/News_Bureau/2005-06/05-072.html, Feb., 2006.

54. Lodders K., Astrophys J. 591 (2003) 1220.

55. Некрасов Б.В. Основы общей химии, т. 3, М.: Химия, 1970. с. 253.

56. Ионе К.Г., Дегазация Земли: геодинамика, геофлюиды, нефть, газ и их парагенезы, М.: ГЕОС, 2008, с. 187.

57. Chaplin M. Water structure and science;

http://www.lsbu.ac.uk/water/clathrat2.html;

последнее обновление август 2009.

58. Бык С.Ш., Фомина В.И. Газовые гидраты. (Итоги науки и техники. Сер.

Химия. Физическая химия), М.: ВИНИТИ, 1970.

59. Hagan M.M., Clathrate Inclusion Compounds, N.Y.: Reinhold Publ. Corp., 1962.

60. Mainschein W.G., Space Sci. Rev., 2 (1964) 653-679.

61. Ourisson G., Albrecht P., Rohmer M., Scientific Amer., 251 (1984) 34.

62. Иванов К.С., Кучеров В.Г., Федоров Ю.Н., Дегазация Земли: геодинамика, геофлюиды, нефть, газ и их парагенезы, М.: ГЕОС, 2008, с. 181.

63. Кучеров В.Г., Бенделиани Н.А., Алексеев В.А., Кенней Дж.Ф., Докл. РАН, 387 (2002) 789.



 














 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.